L'evoluzione che si può osservare: superbatteri e falene punteggiate

In una corsia d'ospedale, un paziente che dovrebbe guarire continua a peggiorare. L'infezione che inizialmente rispondeva a un antibiotico comune ora lo ignora. I medici passano a un farmaco più forte, poi a uno ancora più forte, salendo lungo una scala di medicinali di ultima istanza mentre i batteri si moltiplicano indisturbati. Qui non sta accadendo nulla di soprannaturale. Ciò che i medici osservano, in tempo reale e al capezzale di un paziente, è l'evoluzione per selezione naturale. Gli stessi farmaci destinati a uccidere i microbi sono diventati la pressione selettiva che determina quali microbi sopravvivono.

Molte persone immaginano l'evoluzione come qualcosa di lentissimo, un processo misurato in milioni di anni e visibile soltanto in fossili impolverati. Quest'immagine è per metà corretta e per metà fuorviante. L'evoluzione può essere lenta, ma non è obbligata a esserlo. Quando le generazioni sono brevi e la pressione selettiva è forte, lo stesso meccanismo che ha plasmato le balene a partire dai mammiferi terrestri può rimodellare una popolazione nell'arco di una vita umana, di una singola stagione di crescita, o persino di un singolo ciclo di trattamento. Ecco alcuni dei casi di evoluzione più chiari e meglio documentati che possiamo realmente osservare.

La corsa veloce dei batteri

I batteri sono gli scattisti dell'evoluzione. Una singola cellula di Escherichia coli può dividersi all'incirca ogni 20 minuti in condizioni ideali, il che significa che una popolazione può attraversare decine di generazioni in un giorno. Per confronto, gli esseri umani hanno prodotto solo qualche migliaio di generazioni nell'intera esistenza della nostra specie. Concentra abbastanza generazioni in una finestra breve, dai alla selezione naturale qualcosa da selezionare, e il cambiamento si accumula in fretta.

Il meccanismo è brutalmente semplice. All'interno di qualsiasi grande popolazione batterica, mutazioni casuali producono di continuo variazione. La maggior parte delle mutazioni è dannosa o neutra, ma di tanto in tanto una di esse smussa l'effetto di un antibiotico, magari modificando la proteina che il farmaco prende di mira, espellendo il farmaco fuori dalla cellula, oppure producendo un enzima che lo scinde. Quando l'antibiotico irrompe, i batteri sensibili muoiono e quelli fortunati e resistenti sopravvivono e si riproducono. La resistenza non è il farmaco che "insegna" qualcosa ai batteri. La variazione era già in agguato nella popolazione, e il farmaco si è limitato a fare la cernita.

Ecco perché la resistenza agli antibiotici è uno dei problemi di salute pubblica più pressanti della nostra epoca. La penicillina, introdotta per l'uso su larga scala negli anni Quaranta, era un farmaco miracoloso, eppure ceppi resistenti di Staphylococcus comparvero nel giro di pochi anni. Lo schema si è ripetuto con quasi ogni antibiotico da allora: arriva un nuovo farmaco, funziona meravigliosamente, e poi perde terreno man mano che la resistenza si diffonde. L'Organizzazione Mondiale della Sanità ha ripetutamente avvertito che le infezioni resistenti ai farmaci rappresentano una minaccia grave e crescente per la medicina moderna.

Una piastra di Petri in cui si può vedere accadere

Se cercate una dimostrazione vivida, andate a vedere l'esperimento della piastra di agar gigante condotto dai ricercatori della Harvard Medical School, pubblicato nel 2016. Costruirono un'enorme piastra di Petri lunga un paio di metri e la divisero in bande. Le bande esterne non contenevano antibiotico, mentre ogni banda verso il centro conteneva una dose progressivamente più alta, fino a una concentrazione mille volte più forte di quella che normalmente ucciderebbe i batteri.

Seminarono E. coli ai bordi privi di farmaco e filmarono ciò che accadde nell'arco di circa dieci o dodici giorni. I batteri si diffusero attraverso la zona sicura, si fermarono alla prima banda letale, e poi alcune colonie mutanti la attraversarono. I loro discendenti si diffusero nel nuovo territorio, si fermarono di nuovo alla banda successiva, e di nuovo alcuni pionieri la oltrepassarono. Banda dopo banda, la popolazione avanzò verso il centro letale, e la stirpe acquisiva maggiore resistenza a ogni passo. Il filmato in time-lapse è una delle visualizzazioni dell'evoluzione più sorprendenti mai registrate, perché si può letteralmente vedere la selezione all'opera mentre dita scure di batteri resistenti si spingono in terreni sempre più tossici.

Le falene che cambiarono il loro mantello

Molto prima che i microbiologi filmassero le piastre di agar, un caso più silenzioso di evoluzione rapida si stava sviluppando nei boschi della Gran Bretagna industriale. La falena punteggiata, Biston betularia, si presenta in diverse forme di colore. La forma comune è pallida e screziata, un mimetismo perfetto contro la corteccia chiara degli alberi, ricoperta di licheni. Esiste anche una forma scura più rara, quasi nera.

Prima della Rivoluzione Industriale, dominava la forma pallida, perché si confondeva con lo sfondo mentre le falene scure spiccavano agli occhi degli uccelli affamati. Poi arrivò la fuliggine. Quando l'industria alimentata a carbone annerì i tronchi degli alberi e uccise i licheni pallidi nelle regioni industriali dell'Inghilterra durante il XIX secolo, la situazione si capovolse. Improvvisamente erano le falene scure quelle che scomparivano contro la corteccia sporca, mentre le falene pallide diventavano bersagli appariscenti. Nell'arco di alcuni decenni, la forma scura passò dall'essere una rarità a diventare la maggioranza nelle regioni inquinate, un cambiamento documentato dai naturalisti che raccolsero e registrarono le falene lungo tutto quel periodo.

La storia ha un seguito che la rafforza. Quando, a metà del XX secolo, la legislazione sull'aria pulita ridusse la fuliggine e i licheni tornarono, la forma pallida si riprese e la forma scura tornò a declinare. La frequenza delle due forme seguiva il colore della corteccia, in entrambe le direzioni. Sebbene alcuni dettagli degli esperimenti classici siano stati affinati e dibattuti nel corso degli anni, studi moderni accurati, compreso un ampio lavoro pubblicato negli anni Dieci del Duemila, hanno confermato il risultato centrale: fu la predazione da parte degli uccelli su sfondi mutevoli a guidare il cambiamento. La falena punteggiata resta un esempio da manuale proprio perché mostra la selezione invertire la rotta quando l'ambiente si inverte.

I fringuelli delle Galápagos e la forza di una siccità

Gli stessi fringuelli che contribuirono a ispirare Charles Darwin hanno fornito alcune delle misurazioni più precise dell'evoluzione mai effettuate. A partire dagli anni Settanta, i biologi Peter e Rosemary Grant trascorsero decenni studiando i fringuelli di Daphne Major, una piccola isola delle Galápagos. Catturarono, misurarono e seguirono singoli uccelli attraverso le generazioni, costruendo un registro abbastanza dettagliato da poter osservare la selezione naturale accadere anno dopo anno.

La loro osservazione più celebre venne da una siccità. Nel 1977 le piogge mancarono in gran parte, le piante che producevano semi piccoli e morbidi si seccarono, e agli uccelli rimasero per lo più semi grandi, duri e coriacei. I fringuelli con becchi più grandi e più robusti riuscivano a spaccare quei semi duri; i fringuelli con becchi più piccoli faticavano e molti morirono di fame. Quando la popolazione sopravvissuta alla siccità si riprodusse, la generazione successiva ebbe in media becchi misurabilmente più grandi. L'ambiente era cambiato, e i becchi cambiarono con esso nell'arco di una singola generazione. In seguito, quando tornarono anni più piovosi e i semi piccoli ridivennero abbondanti, la pressione selettiva si allentò e si invertì. Il lavoro dei Grant, riassunto in decenni di pubblicazioni, è una pietra miliare proprio perché associa dei numeri all'evoluzione mentre essa accade.

Quando l'evoluzione supera i nostri strumenti

L'evoluzione rapida non è solo una curiosità accademica. Modella silenziosamente il mondo intorno a noi, spesso in modi scomodi.

La resistenza ai pesticidi è la gemella agricola della resistenza agli antibiotici. Gli insetti si riproducono rapidamente e in numero enorme, quindi quando gli agricoltori spruzzano un raccolto, i pochi individui che portano una mutazione di resistenza sopravvivono e la trasmettono. A forza di spruzzature ripetute, ciò che un tempo funzionava smette di funzionare, e lo stesso dramma si ripete con erbicidi ed erbacce. La tubercolosi e la malaria resistenti ai farmaci mostrano il costo umano: agenti patogeni che con l'evoluzione aggirano i nostri migliori trattamenti rendono malattie un tempo gestibili molto più difficili e costose da curare. Affiorano persino cambiamenti rapidi nella fauna selvatica, come le popolazioni di pesci che si orientano verso corporature più piccole quando le reti da pesca rimuovono costantemente gli individui più grandi, lasciando i più piccoli a riprodursi.

Il filo conduttore che attraversa tutti questi casi è lo stesso. Ogni volta che una popolazione contiene variazione ereditabile, e ogni volta che qualcosa nell'ambiente fa sì che alcune varianti sopravvivano e si riproducano più di altre, la popolazione cambierà nel tempo. Accelera le generazioni o aumenta la pressione, e quel cambiamento diventa visibile per noi. È anche per questo che il rimedio contro la resistenza non è semplicemente un farmaco più forte. È usare i farmaci che abbiamo già in modo più saggio, ruotandoli, portando a termine i cicli prescritti affinché non restino indietro i sopravvissuti, e riducendo l'uso non necessario, così da smettere di consegnare all'evoluzione proprio la pressione di cui ha bisogno.

Cosa hanno in comune questi casi

Vale la pena soffermarsi sul perché questi esempi particolari siano così convincenti. Ciascuno presenta una chiara pressione selettiva, che sia un farmaco, un predatore, una siccità o una rete. Ciascuno presenta una variazione ereditabile che esisteva già nella popolazione prima che arrivasse la pressione. E in diversi di essi, comprese le falene e i fringuelli, il cambiamento si è invertito quando l'ambiente si è invertito, che è esattamente ciò che la selezione naturale prevede e ciò che smonta qualsiasi spiegazione basata sull'idea che l'organismo in qualche modo "scelga" di adattarsi.

Questi non sono nemmeno curiosità isolate. Sono semplicemente i casi in cui generazioni brevi e una forte pressione comprimono un processo che, in creature più grandi e dalla riproduzione più lenta, si sviluppa su archi temporali molto più lunghi. Il meccanismo è identico. Osservare una popolazione di falene scurirsi nel corso di decenni o una colonia batterica espugnare un gradiente di antibiotico nell'arco di giorni significa osservare, in modalità accelerata, la stessa forza che ha prodotto l'abbagliante diversità della vita sulla Terra.

Punti chiave

L'evoluzione non è confinata ai fossili e ai tempi remoti; è un processo in corso che possiamo osservare, misurare e persino filmare quando le condizioni sono giuste. I batteri resistenti agli antibiotici, il cambiamento di colore delle falene punteggiate britanniche e le variazioni del becco dei fringuelli delle Galápagos sono tutti casi ben documentati in cui la selezione naturale ha rimodellato una popolazione entro una scala temporale umana, talvolta nell'arco di una singola generazione o di un singolo ciclo di trattamento. In ogni caso gli ingredienti sono gli stessi: una variazione ereditabile già presente nella popolazione, più una pressione selettiva che permette ad alcune varianti di sopravvivere e riprodursi più di altre, con generazioni brevi e una forte pressione che rendono il cambiamento abbastanza rapido da poter essere visto. Riconoscere questo non è solo intellettualmente appagante, è anche pratico, perché la stessa comprensione che spiega come nascono i superbatteri ci dice anche come rallentarli: prestando molta più attenzione alle pressioni selettive che noi stessi creiamo.